CN204831680U - 一种溅射薄膜式孔隙水压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种溅射薄膜式孔隙水压力传感器，包括金丝引线、信号导线、弹性敏感元件和带有密封盖的圆环形薄壁筒，圆环形薄壁筒设置在弹性敏感元件的上表面，弹性敏感元件的下表面设置有透水圆膜，弹性敏感元件、密封盖和圆环薄壁筒构成密封腔体，密封腔体内设置有溅射金属薄膜和转接板，信号导线从圆环形薄壁筒的侧壁穿入密封腔体内，金丝引线将信号导线的信号引出线和溅射金属薄膜连接在一起。本实用新型提高传感器的可靠性，压力敏感圆膜的机械加工易于批量加工，批量制作压力敏感元件，缩短生产周期，降低加工成本，提高生产效率，解决了密封胶长期工作在水中可能出现的渗漏和脱落，使得密封牢固可靠。

Description

一种溅射薄膜式孔隙水压力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种传感器，尤其涉及一种溅射薄膜式孔隙水压力传感器。

背景技术

在现在地震频发的时代，地震液化是造成地震灾害的重要原因之一。地震液化通常伴随着大规模的地面沉陷变形、地裂滑移、喷水冒砂和房屋震陷等震害现象。研究者发现，产生上述宏观液化现象时砂土层的超孔隙水压力均等于有效覆盖压力，即超孔压比μ/σ′等于1.0。但近来的研究表明，当孔压比小于1.0，即0.6～0.7时，土层就开始对地面运动，地裂、滑移、房屋下沉等影响，就可能出现通常所谓的液化现象。随着科学技术的飞速发展，研究者需要对砂土层液化判别的可靠性做大量研究，其中研究判别的一个重要手段是采用孔隙水压力传感器测试砂土层的孔隙水压力比值。

传统孔隙水压力传感器是由H圆形金属槽做为传感器弹性体，H圆形金属槽两面圆膜边缘都有台阶，其台阶一边高一边低，圆膜应变片用粘接胶粘接在H圆形弹性体台阶高的那一面的凹部表面，构成压力敏感元件，信号引线通过台阶端部上的小圆孔引致密封上盖的一个凸形小手柄上再焊接转接引出信号线，粘接密封上盖，H圆形弹性体台阶低的那一面，台阶端部粘接一个同样面积的透水膜构成。这种结构的应变式孔隙水压力传感器体积小，成本低，但生产效率低，产品成品率低，传感器输出时漂大，传感器性能受环境温度影响大，应变片引线转接点所在的小手柄厚度是由焊点和防水胶厚度的叠加，其高度超过传感器总厚度，在测试土应力时，影响传感器测试的真实应力，从而影响传感器测试值的真实性。

正是由于已有的孔隙水压力传感器的这种结构，导致存在的主要缺陷有：

1)H圆形整体结构底部凹槽的内表面做为传感器的感应面，机械加工难度大，加工成本高，形位公差不易控制和一致，不易于内表面研磨处理和批量研磨；

2)采用粘贴胶粘接应变片于弹性体感应面上组合成压力敏感元件的工艺，使得传感器的最终性能受机械加工的影响较大，对周围环境的影响特别敏感；

3)手工单只粘接制作，受人为因素影响较大，一致性较差；

4)这种结构和生产工艺，只能单只进行生产，不易于批量生产，生产效率低，产品的成品率低等；

5)粘接胶粘接密封上盖，在水中容易渗漏和脱落，工作温度范围窄。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种溅射薄膜式孔隙水压力传感器。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种溅射薄膜式孔隙水压力传感器，包括金丝引线、信号导线、弹性敏感元件和带有密封盖的圆环形薄壁筒，所述圆环形薄壁筒设置在所述弹性敏感元件的上表面，所述弹性敏感元件的下表面设置有透水圆膜，所述弹性敏感元件、所述密封盖和所述圆环薄壁筒构成密封腔体，所述密封腔体内设置有溅射金属薄膜和转接板，所述溅射金属薄膜位于所述弹性敏感元件的上表面，所述转接板位于所述溅射金属薄膜的上方，所述信号导线从所述圆环形薄壁筒的侧壁穿入所述密封腔体内，所述金丝引线的一端和所述信号导线的信号引出线一起焊接在所述转接板上，所述金丝引线的另一端焊接在所述溅射金属薄膜上。

进一步地，所述密封盖设置在所述圆环形薄壁筒的上端，所述弹性敏感元件的上表面设置有凸台部，所述圆环形薄壁筒下端设置有与凸台部相匹配的凹部，所述圆环形薄壁筒的凹部压合在所述弹性敏感元件的凸台部。

进一步地，所述弹性敏感元件的下表面设置有阶梯槽，所述透水圆膜设置在所述弹性敏感元件的阶梯槽内。

更进一步地，所述弹性敏感元件为超薄金属圆薄片结构。

进一步地，所述透水圆膜的厚度为1～1.5mm。

进一步地，所述圆环形薄壁筒内粘接有用于支撑所述转接板的支撑架，所述支撑架的形状与所述转接板的形状相匹配。

进一步地，所述圆环形薄壁筒的侧壁设置有压线筒，所述信号导线穿过所述压线筒至所述密封腔体内。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的生产工艺中不再使用应变计粘接胶，彻底消除粘接胶受环境温度的影响而引起传感器性能的不稳定，提高传感器的可靠性；压力敏感圆膜的机械加工易于批量加工，批量制作压力敏感元件，缩短生产周期，降低加工成本，提高生产效率；解决了密封胶长期工作在水中可能出现的渗漏和脱落，使得密封牢固可靠。

附图说明

图1是本实用新型所述溅射薄膜式孔隙水压力传感器的主剖视结构示意图；

图2是本实用新型所述弹性敏感元件和所述溅射金属薄膜的位置结构示意图；

图3是本实用新型所述透水圆膜的结构示意图；

图4是本实用新型所述溅射薄膜式孔隙水压力传感器的俯视结构示意图，为了示出内部结构，去掉了所述密封盖；

图5是本实用新型所述圆环形薄壁筒的俯视结构示意图，为了示出内部结构，去掉了所述密封盖；

图中：1-弹性敏感元件、2-圆环形薄壁筒、3-转接板、4-溅射金属薄膜、5-金丝引线、6-压线筒、7-信号导线、8-密封盖、9-透水圆膜、10-信号引出线、11-密封腔体、12-支撑架。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本实用新型包括金丝引线5、信号导线7、弹性敏感元件1和带有密封盖8的圆环形薄壁筒2，圆环形薄壁筒2设置在弹性敏感元件1的上表面，弹性敏感元件1的下表面设置有透水圆膜9，弹性敏感元件1、密封盖8和圆环薄壁筒构成密封腔体11，密封腔体11内设置有溅射金属薄膜4和转接板3，溅射金属薄膜4位于弹性敏感元件1的上表面，转接板3位于溅射金属薄膜4的上方，信号导线7从圆环形薄壁筒2的侧壁穿入密封腔体11内，金丝引线5的一端和信号导线7的信号引出线10一起焊接在转接板3上，金丝引线5的另一端焊接在溅射金属薄膜4上。

弹性敏感元件1为超薄金属圆薄片结构，密封盖8设置在圆环形薄壁筒2的上端，弹性敏感元件1的上表面设置有凸台部，为凸圆形结构，圆环形薄壁筒2下端设置有与凸台部相匹配的凹部，圆环形薄壁筒2的凹部压合在弹性敏感元件1的凸台部。

本实用新型所述溅射薄膜式孔隙水压力传感器是采用压力敏感圆膜(溅射金属薄膜4)与圆膜固支结构(圆环形薄壁筒2)分离的结构设计，凸台部金属结构作为传感器弹性体，凸形结构的上表面为圆平面，该圆平面作为感应面，在其表面溅射金属合金薄膜，采用光刻工艺制备成圆膜式应变片作为压力敏感元件，即溅射金属薄膜4。

这样的弹性体结构和制作工艺相结合，由于是采用凸圆形金属弹性体表面上直接真空溅射金属合金薄膜，用MEMS微机械光刻加工工艺制作成圆膜式应变片做为压力敏感元件，彻底放弃了粘接胶的使用，解决了应变片粘接胶受环境因素影响引起的传感器时漂和温漂，使传感器的性能稳定。这种凸圆形结构的弹性体，可以批量加工、表面处理、真空溅射，制备压力敏感元件，也便于控制表面行位公差，提高生产效率，降低加工成本。

圆环形薄壁筒2是作为溅射金属薄膜4受力时配合的固支结构，其与溅射金属薄膜4分离的结构设计，是为了配合溅射金属薄膜4在溅射前需要进行的表面处理、溅射金属薄膜4图形的制备等溅射加工工艺的要求，也便于批量加工和封装焊接。

转接板3是粘接固定于圆环形薄壁筒2内的支撑架12上，支撑架12的形状与转接板3的形状相匹配，为了增加金丝引线5的寿命，让与应变片相连接的金丝引线5通过该转接板3上的焊接点连接传感器的信号导线7，并固定支撑信号导线7。金丝引线5是采用超声焊接工艺焊接与转接板3和溅射金属薄膜4焊接的，用金丝连接溅射金属薄膜4的电极点至转接板3的转接焊接点一端，再将信号导线7穿过压线筒6，用电烙铁焊接导线至转接板3上相应的转接焊接点的另一端，将压线筒6用电烙铁焊接在转接板3上预留的焊接点上固定，压线筒6与圆环形薄壁筒2预留孔用激光焊接，密封盖8用激光焊接于圆环形薄壁筒2的上盖工艺焊接端，最后在弹性敏感元件1的阶梯槽端面用粘接胶粘接同样大小的透水圆膜9。透水圆膜9的厚度为1～1.5mm，可根据实际情况需要采用不同的厚度的透水圆膜9。

圆环形薄壁筒2的侧壁设置有压线筒6，信号导线7穿过压线筒6至密封腔体11内，压线筒6的内孔与信号导线7外径匹配，是用于在密封腔体11内固定并压紧信号导线7的，增加引线焊接的牢固度，使得传感器在使用过程中，引线不会被轻易拽断。

密封盖8是圆形薄片结构，圆周边缘带台阶，传感器引线焊接完好后的最后封装盖，这种结构便于采用激光焊接工艺密封传感器，简化传感器装配工艺，提高封装成品率。

本实用新型消除了采用手工粘贴应变片粘接胶引起的传感器的时漂、温漂，解决应变片引线转接点所在的小手柄对传感器测试的影响，提高传感器性能可靠性，提高生产效率；本专利所设计的孔隙水压力传感器弹性体为凸形结构，凸形结构的上表面为圆平面，该圆平面做为感应面，在该圆平面上采用真空溅射薄膜的方法直接将应变计生长在金属圆薄片表面，制成压力敏感圆膜，这样消除了粘接胶的使用，彻底解决了应变片粘接胶受环境因素影响大的问题，解决了机械加工一致性差的问题，易于金属圆薄片表面的批量研磨，使传感器最终性能稳定可靠，提供生产效率；采用激光焊接工艺封装传感器，解决传感器密封不牢的问题。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种溅射薄膜式孔隙水压力传感器，其特征在于：包括金丝引线、信号导线、弹性敏感元件和带有密封盖的圆环形薄壁筒，所述圆环形薄壁筒设置在所述弹性敏感元件的上表面，所述弹性敏感元件的下表面设置有透水圆膜，所述弹性敏感元件、所述密封盖和所述圆环形薄壁筒构成密封腔体，所述密封腔体内设置有溅射金属薄膜和转接板，所述溅射金属薄膜位于所述弹性敏感元件的上表面，所述转接板位于所述溅射金属薄膜的上方，所述信号导线从所述圆环形薄壁筒的侧壁穿入所述密封腔体内，所述金丝引线的一端和所述信号导线的信号引出线一起焊接在所述转接板上，所述金丝引线的另一端焊接在所述溅射金属薄膜上。

2.根据权利要求1所述的溅射薄膜式孔隙水压力传感器，其特征在于：所述密封盖设置在所述圆环形薄壁筒的上端，所述弹性敏感元件的上表面设置有凸台部，所述圆环形薄壁筒下端设置有与凸台部相匹配的凹部，所述圆环形薄壁筒的凹部压合在所述弹性敏感元件的凸台部。

3.根据权利要求1所述的溅射薄膜式孔隙水压力传感器，其特征在于：所述弹性敏感元件的下表面设置有阶梯槽，所述透水圆膜设置在所述弹性敏感元件的阶梯槽内。

4.根据权利要求1、2或3所述的溅射薄膜式孔隙水压力传感器，其特征在于：所述弹性敏感元件为超薄金属圆薄片结构。

5.根据权利要求1所述的溅射薄膜式孔隙水压力传感器，其特征在于：所述透水圆膜的厚度为1～1.5mm。

6.根据权利要求1所述的溅射薄膜式孔隙水压力传感器，其特征在于：所述圆环形薄壁筒内粘接有用于支撑所述转接板的支撑架，所述支撑架的形状与所述转接板的形状相匹配。

7.根据权利要求1所述的溅射薄膜式孔隙水压力传感器，其特征在于：所述圆环形薄壁筒的侧壁设置有压线筒，所述信号导线穿过所述压线筒至所述密封腔体内。